En ny polyethylen-B4C baseret beton til afskærmning

Afskærmning spiller en vigtig rolle ved neutronkilder for både strålingssikkerhed og for at minimere baggrundsstøj i neutronforsøg. Afskærmning er regelmæssigt lavet af beton, som indeholder brintatomer, der hjælper med at bremse neutronerne.

Et team på ESS i Sverige, ledet af Phillip Bentley, ville se, om de kunne forbedre neutronbeskyttelsesegenskaberne ved en standardbeton. De tilføjede ekstra brint til betonen i form af polyethylen (PE) perler og inkluderede også borcarbid, et andet stof, der vides at hæmme transmissionen af ​​neutroner.

Betonblandingen er udført af Teknologisk Institut i Danmark. De bestemte de bedste forhold, der gav en homogen fordeling af polyethylen i hele betonen og erstattede noget af sandet i sammensætningen med B4C, da de har lignende kornstørrelser og densitet.

Den nye PE-B4C-beton blev derefter sammenlignet med en referencebeton. Den havde en 15 % lavere massetæthed og var en smule svagere end standardsammensætningen. Afskærmningsmålinger blev udført på betonen ved hjælp af en Time of Flight (TOF) teknik, kendt som neutronmærkning, ved Lunds universitet i Sverige.

PE-B4C betonen havde en forbedret afskærmningsydelse i MeV neutronenergiområdet, slippe 40% færre neutroner igennem end standardbeton. Ved lavere neutronenergier, det forventes, at forbedringen af ​​afskærmningen er endnu mere udtalt. Disse eksperimentelle fund stemte godt overens med Geant4 -simuleringer udført parallelt.

Aktiveringsundersøgelser af de to betoner er udført på MTA EK og tyder på, at den nye polyethylenbaserede beton har lavere aktiveringsværdier end standardbetonen.

I en yderligere undersøgelse, holdet undersøgte den partikel-selvafskærmende effekt af forskellige størrelser af B4C-korn. Det er her, hvis et B4C-korn er stort nok, det ydre område af kornet vil skærme det indre område og gøre det ineffektivt. Fem forskellige partier af PE-B4C-betonen blev blandet med forskellige B4C-kornstørrelser, selvom den samlede vægtfraktion af B4C altid blev holdt den samme. Målingerne er udført med en 2 Å neutronstråle ved JEEP II-reaktoren på Institut for Energiteknologi i Kjeller, Norge. Disse målinger blev derefter sammenlignet med Geant4-simuleringer, igen godt enig. Samlet set, de mindste kornstørrelser gav den bedste afskærmningsevne af betonen, men ved valg af afskærmningsmateriale, der skal findes en balance mellem dette og betonens øgede pris og potentielt forringede stabilitet i takt med, at kornstørrelsen bliver mindre.

Dette nye potentielle afskærmningsmateriale kunne bruges som både bulkafskærmning ved spallationsneutronkilder eller i specifikke beamline-komponenter. Det kunne også være nyttigt i reaktor- eller acceleratorbaserede neutronanlæg.